非饱和残积土坡对降雨入渗的响应及其失稳演变过程研究

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降雨是诱发地质灾害与边坡失稳的重要原因,这类灾害常造成重大的人员伤亡与财产损失,如何通过科学研究来避免或减少地质灾害带来的危害,一直以来受到相关学术界及工程界的关注。因此,本文以闽东南地区非饱和残积土边坡为研究对象,通过室内试验、物理模型试验和数值分析等手段,全面、系统地研究非饱和残积土坡对降雨入渗的响应规律及其失稳演变过程,深入探讨失稳预警因子选择和防灾减灾策略,具有重要的学术意义与实用价值。主要研究内容及成果主要有:(1)利用压力板仪装置开展不同竖向应力、不同干湿循环次数和不同类型残积土的SWCC曲线试验研究,比较和分析未考虑体积变化和考虑体积变化的土体SWCC曲线滞回圈面积以及进气值和出气值的变化规律,指出传统方法获取的SWCC曲线会高估土体抵御变形的能力,并阐述了试验条件变化引起土体内部结构调整是SWCC曲线发生变化的内在原因;同时,根据试验数据对3类SWCC修正公式进行拟合优度分析,结合模型参数的简洁性,得出修正VG模型最符合闽东南地区原状残积土的SWCC建模。(2)采用非饱和土三轴试验对非饱和土剪切特性和抗剪强度进行研究,从土体结构性、有效应力原理、矿物成分和水力滞回特性出发,多角度分析和解释不同吸湿循环次数引起的非饱和土力学特性变化规律,指出多次吸水后土体有效应力参数和反映抗剪强度与基质吸力关系的φb值均逐渐降低,土体软化与水力滞回特性引起土体饱和度的变化和产生的不可逆变形(或累积不可逆变形)有关。(3)在分析闽东南地区花岗岩残积土物理力学特性的基础上,对非饱和残积粘性土、残积砂质粘性土和残积砾质粘性土含水率和干密度对抗剪强度指标的影响机理及其与粘聚力的相关性进行深入分析,建立符合闽东南地区花岗岩残积土含水率和干密度与抗剪强度指标之间的经验公式。研究结果表明粘聚力的对数与含水率呈负相关,内摩擦角在含水率增大过程中具有非线性衰减的趋势,并集中在一个范围内变化;高密实度下3类残积土的含水率~内摩擦角具有峰值点,土体密实度对粘聚力的影响可用线性正相关来表示。(4)利用构建好的降雨模拟系统和实时监测系统,对降雨诱发非饱和残积土坡失稳过程进行全方位、多参量的实时监测,总结和分析不同位置、不同坡度、不同密实度和不同降雨条件下边坡土体含水率(饱和度)、基质吸力、土压力和坡体下滑力的实时响应规律,指出二次或多次降雨后坡体内部高应力区域可完全释放,边坡具有高水平的雨后残余下滑力和更显著的土体软化效应。通过对试验数据进行加工处理,着重研究不同工况下SWCC曲线过渡区吸力与含水率关系以及入渗率和湿润锋变化规律,将表征吸力对数和体积含水率对数线性关系的土体参数a、b进行回归分析,得出土体参数a、b具有很强的线性关系,并就不同工况土体参数a、b的差异进行机理分析;对比分析湿润锋实际值与半经验值的散点分布规律,提出湿润锋的修正Lumb公式。根据不同位置土体吸力的实时响应规律,结合坡体变形规律,提出边坡变形发展的3个阶段,即初始蠕变阶段、加速发展阶段、滑动破坏阶段。同时,指出失稳预警因子应从降雨诱发滑坡失稳机理出发,着重考虑边坡关键位置的力学物理量变化,对于无支护的边坡,失稳预警因子可选择边坡关键位置处的基质吸力,而有支护的边坡,应根据支护结构受力和边坡关键位置处吸力变化特征来选择预警因子。(5)基于非饱和土力学理论,利用有限元法计算和分析坡体在降雨入渗条件下的渗流、变形特性和稳定性,研究滑坡对降雨的动态响应和不同工况下安全系数和位移的关系。强降雨初期,边坡安全系数下降较快,易发生滑坡;雨停后安全系数会因雨水持续下渗而进一步降低,应注意产生雨后滑坡;同样水分在不同坡体部位对稳定性影响不同,安全系数有消有涨,存在时空效应。为反映地下水位和降雨条件变化对边坡产生危害的程度,从安全储备角度出发,选取安全系数作为边坡失稳机制总因子,提出危险系数概念,结合已有实际位移监测数据,建立危险系数与增量位移的关系,从而实现边坡测点位移变化的阶段式预警。研究结果和方法可为类似工程的治理和监测预警提供有意义的参考。
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